字节一面：说说TCP的三次握手

上周有朋友去了字节面试，问到了 TCP 三次握手的问题，当时回答的不是很好，对于三次握手的发送的报文信息都不太熟，本文主要做一下总结和记录。

TCP 全称为 Transmission Control Protocol （传输控制协议），是一种 面向连接的、可靠的、基于字节流 的传输层通信协议。 TCP 也是全双工通信协议，表示客户端可以给服务端发送消息，服务端也可以向客户端发送消息。

报文

TCP 处于 ISO 七层模型的 传输层 ，传输层的单位是 报文 ，报文信息如下：

Source port 和 Destination port

其中 Source port 和 Destination port 分别代表 发送端口 和 接收端口 。两个不同机器上的进程通信，需要通过 端口 和IP协议中的 IP 标识唯一的进程。

Sequence number 和 Acknowledgment number

Sequence number 表示 序列号 ，表示要发送数据的起始号，在下面的三次握手使用 seq 表示， Acknowledgment number 表示 确认号 ，返回确认号，表示消息已经接收，返回下次要发送的起始号。在下面的三次握手使用 ackNum 标识。

TCP flag

TCP flag 表示 TCP 标志位，主要介绍两个 ACK 和 SYN ：

SYN
ACK

Windows Size

TCP 使用 滑动窗口 来实现 流量控制 ，根据窗口大小，确认要发送数据包的个数。

TCP 三次握手

TCP 三次握手，是指建立一个 TCP 连接时，需要客户端和服务器总共发送 3 个包。三次握手的目的是连接服务指定端口，建立 TCP 连接，并 确认 连接双方的 序列号 和 确认号 ，确认 TCP 窗口大小信息。

三次握手详解:

• 第一次握手 SYN=1,seq=x
  • 客户端发送一个 TCP 的 SYN 标志位为 1 的包，指定客户端连接的服务器端口，初始序列号 seq 为 x 。发送完毕之后客户端进入 SYN_SEND 。
• 第二次握手 SYN=1,ACK=1,seq=y,ACKnum=x+1
  • 服务器发回确认包 ACK 应答。即 SYN 标志位和 ACK 标志位均为1。服务器端发送序列号 seq 为 y ,同时将确认序号 ackNum 设置为客户端的序列号 seq+1 ， ackNum 表示要下次要发送数据包序列号的起始值。发送完毕后，服务端进入 SYN_SEND 状态。
• 第三次握手 ACK=1,ACKnum=y+1
  • 客户端再次发送确认包 ACK ，ACK 标志位为 1 ，并且把服务器发来的 ackNum 作为起始序号 seq 发送给服务端，确认号 ackNum 为服务端发送的序列号 +1 也就是 y+1 ，放在确认字段中发送给对方，
  • 发送完毕后，客户端进入 ESTABLISHED 状态，当服务器端接收到这个包时，也进入 ESTABLISHED 状态，开始数据传输。

wireshake 抓包

为了更好理解三次握手，使用 wireshake j进行抓包。首先请求访问链接， TCP 三次握手对应下面编号 57 、 63 、 64 :

• 第一步： 192.168.5.150 ----> 47.98.202.133 [SYN] seq=0
• 第二步： 47.98.202.133 ----> 192.168.5.150 [SYN ACK] seq=0 ack=1
• 第三步： 192.168.3.150 ----> 47.98.202.133 [ACK] seq=1 ack=1

记忆口诀

那么在面试的时候应该如何记忆三次握手的流程？三次握手是为了建立连接，其中主要是为了确认客户端和服务端的序列号 seq ，那么 确认序列号 就需要接收方返回序列号，来确保自己发送的序列号能成功发送。

• 第一次握手和第二次握手 确保客户端的序列号 ，所以第一次发送 seq ,第二次返回 ack ,当接收到返回信息，表明 确认了客户端序列号 。第一次和第二次都是建立连接过程，所以都带有 SYN 标记位。而第二次返回号，所以第二次带 ACK 标志位。
• 第一次发送了序号 seq 为 x ,返回确认号 ackNum 为 x+1 ,因为发送消耗了一个序号，所以 ackNum 要加 1 。
• 第二次握手和第三次握手是为了确保服务端的序列号，服务端发送序列号 seq ,客户端返回确认号 ackNum ,值为 seq+1 。第二次握手要发送序号和返回上一次的握手的确认号，所以第二次握手带有 SYN 和 ACK 标志位。并且要发送序列号 seq 和确认号 ackNum 。第三次握手是确认服务端发送序列号，所以带有标志位 ACK ,返回确认号 ackNum 。

为啥 TCP 需要三次握手，不是两次，四次

TCP 三次握手是为了确认双方的序列号，这就像一个 发送—应答 机制，客户端发序列号，服务端返回确认号，此时确认了客户端的序列号。如果是两次握手，只能确认客户端的序列号，无法确认服务端的序列号。三次握手是确认两个序列号最小的连接次数。四次也可以，但是没有必要，需要减少握手的次数，加快连接速度。

总结

• 本文先介绍了报文头信息，三次握手主要用到了：
  • 序列号 seq ,确认号 ackNum 。
  • TCP 标记位, SYN 同步序号，表示建立连接过程。 ACK 确认序号标识，标识表示发送信息已确认接收
• 三次握手详解：
  • 第一次握手，客户端发送带有 SYN 标记位的包，带有初始化序列号 x ,发送完毕客户端进入 SYN_SEND 状态。
  • 第二次握手，服务端返回应答标记位 ACK ，并返回确认号 ackNum 为 x+1 , x+1 表示发送消耗了一个序列号。返回了确认号表示 确认 了客户端序列号。服务端也要发送序列号 y ,所以也要带有 SYN 的标记位。
  • 第三次握手客户端发送确认包 ackNum 为 y+1 ,所以带确认序号标志 ACK 。建立连接，发送序号 x+1 ，开始传输数据。